某鋁合金工件的失效分析與預防

張敬慧

（海軍駐齊齊哈爾地區(qū)某部，黑龍江齊齊哈爾161041）

0 引言

產品的失效，尤其在裝備中關鍵件所用材料的失效往往會造成直接或間接的經(jīng)濟損失甚至是人員傷亡。通過材料與結構的失效分析研究，提出預防產品再失效的措施，起到消除潛在不合格因素的目的。

1 問題提出

某產品的彈尾是由尾管和尾翼片所構成，其中尾管前端制有螺紋，用以與彈頭連接，是關鍵件。尾管的可靠性影響到產品飛行穩(wěn)定性，其結構分布不均勻可導致射程和散布精度變化較大，達不到戰(zhàn)技指標要求。該產品在一次作用可靠性射擊交驗時，彈頭未作用，導致正常產品試驗終止。對該產品解體散落零部件收集發(fā)現(xiàn)，尾管呈縱向開裂，彈頭未作用。尾管的螺紋部位沿軸向撕裂（見圖1、圖2）。

2 原因分析

尾管材料為棒7A04-T6A，直徑φ38 mm圓棒，屬于超硬鋁合金。產品平均壁厚4 mm、最薄處2 mm，發(fā)射初速60～70 m/s。

尾管的生產流程是：原材料下料→機械加工→表面處理，涂漆。

圖1 尾管開裂的形貌

圖2 尾管斷口的宏觀形貌

本文將尾管斷裂件一件、尾管用原材料一段進行了實驗室失效分析，具體做了金相組織分析、尾管的宏觀斷口檢驗、微觀斷口及微區(qū)成分定性分析、金相組織檢測分析，并通過3個驗證試驗方案的驗證試驗，對尾管開裂性質進行了確定，并對開裂原因進行了分析，找出該產品的失效原因，提出了預防和解決措施[2]。

2.1 檢測分析

2.1.1 宏觀斷口分析

裂紋在螺紋部位由外向內開裂。在斷口上有兩個區(qū)域，一個是較平坦的區(qū)域，在尾管斷口的外側，即圖2中箭頭所示的區(qū)域；另一個區(qū)域較粗糙，上面布滿“人字”花樣和放射線，“人字”花樣和放射線匯集在A區(qū)的終止部位，即A區(qū)為裂紋源。這說明尾管撕裂是從A區(qū)開始的，如圖2所示。由此可見，尾管A區(qū)域的缺陷是在交驗前就已經(jīng)存在，因此，交驗時沿缺陷處開裂。

2.1.2 微觀斷口分析

在掃描電鏡下對斷口進行觀察：A區(qū)的斷口較平坦，并在表面覆蓋有氧化腐蝕的膜，見圖3。

圖3 尾管斷口的形貌

在尾管外表面的邊緣可以看到有擠壓進來的金屬屑，見圖4。只有在機械加工之前表面就已經(jīng)存在缺陷的情況下，在機加時才有可能擠壓進來金屬屑。這進一步說明原來在原材料的表面就已經(jīng)存在缺陷。圖2中B區(qū)域的斷口為韌窩形貌，說明材料的韌性很好，見圖5。

圖4 外表面邊緣的形貌

圖5 B區(qū)的斷口形貌

2.1.3 金相組織檢驗

磨制斷口處的金相組織，在斷口處未見夾雜等冶金缺陷，組織狀態(tài)正常，如圖6、圖7所示。

由上述試驗結果分析，尾管的缺陷是由原材料帶入，導致尾管在交驗階段斷裂。

圖6 斷口處的金相組織200×

圖7 尾管橫截面的低倍金相組織 50×

2.2 原材料

經(jīng)分析解剖原材料的縱、橫兩個方向的金相試樣，檢測結果為：原材料表面的裂痕與表面成V字形，并且底部呈圓形,裂紋的深度為106 μm。腐蝕后觀察，裂紋處的晶粒比其他部分的晶粒大，這可能是由于該處的變形與臨界變形度相當，導致晶粒長大，見圖8。這說明裂痕部位有變形，由此判斷，裂痕是在棒材成型時，硬質點（比如較大灰塵顆粒）導致表面劃傷。腐蝕后，原材料的金相組織無過熱、過燒現(xiàn)象。由上述試驗結果分析，原材料表面的缺陷為棒料加工時硬質點劃傷所致。

圖8 原材料表面的缺陷200×

3 驗證試驗

為進一步明確開裂尾管測試分析結論的正確性，通過在尾管內、外表面的不同位置分別預制不同的模擬裂紋進行驗證，具體方法[3]如下:

3.1 試驗項目、目的與數(shù)量

1）尾管內孔劃傷較重強度試驗：考核尾管強度；數(shù)量20發(fā)。2）在尾管尾翼部預制裂紋的強度試驗：模擬尾管裝配時壓裂狀態(tài)下的強度；數(shù)量10發(fā)。3）在尾管螺紋端內徑表面預制0.3 mm、0.5 mm溝槽的強度試驗：數(shù)量10×2發(fā)。4）鑄有尾翼的尾管尾翼部預制裂紋的強度試驗：模擬尾管裝配時壓裂狀態(tài)下的強度；數(shù)量20發(fā)。5）未鑄尾翼的尾管，尾管尾翼部預制裂紋的強度試驗：考核未鑄尾翼的尾管強度；數(shù)量10發(fā)。

3.2 試驗結果

1）尾管內徑劃傷較重20發(fā)，射后回收檢查正常；2）尾管尾翼部預制裂紋10發(fā)，回收9發(fā)，1發(fā)開裂，其余正常；3）尾管螺紋端內徑表面預制溝槽20發(fā)，射擊后回收檢查正常；4）鑄有尾翼尾管翼部預制裂紋20發(fā)，射后回收檢查正常；5）未鑄尾翼尾管翼部預制裂紋10發(fā)，回收檢查正常。通過3組80發(fā)預制的裂紋進行可靠性試驗，結果表明，只出現(xiàn)1發(fā)尾管沿單側縱向開裂，彈頭未作用，此發(fā)開裂現(xiàn)象與交驗時現(xiàn)象基本一致，其它79發(fā)作用正常。故障基本復現(xiàn)。

4 驗證試驗結果

1）當尾管與彈頭端外表面存在一定深度的缺陷時，可使尾管強度降低，導致在尾管射擊時開裂；2）尾管開裂的原因：由于原材料外表面存在的縱向應力缺陷所致，此種應力缺陷在原材料生產中極為少見，并存在于原材料表面。

5 改進措施及結果

1）通過對原材料、開裂尾管的檢測分析和產品驗證試驗的結果證明，當尾管與彈頭連接端的外表面存在一定深度的裂紋時，可使尾管強度降低，導致尾管在射擊時開裂。

2）該批產品可靠性試驗出現(xiàn)尾管開裂，是由于尾管螺紋口端面附近存在一細微的縱向裂紋，此裂紋是由原材料表面的應力裂紋帶入，并導致尾管在射擊過程開裂。對現(xiàn)有產品采用專門購進的臺式放大鏡（10倍）進行100%外觀檢驗，對疑似裂紋的產品全部剔除，并采用超寬視野的SZM-B2/T2型體式顯微鏡進行再確認，在1萬發(fā)返檢產品中共發(fā)現(xiàn)2發(fā)有疑似裂紋的產品，經(jīng)體式顯微鏡檢測，判定為表面劃痕1發(fā)，輕微裂痕1發(fā)。對該2發(fā)產品進行了射擊試驗，結果正常，尾管未開裂。

3）在后續(xù)2 a的產品生產過程中，在原工藝采用的縱向超聲波檢驗的基礎上，進一步完善了相應的工藝和檢測手段，加強對原材料及尾管氧化著色時的外觀檢驗，確保了有效剔除原材料表面存在缺陷產品的混入，杜絕了此類事件的發(fā)生。

4）通過對彈尾成品水壓檢驗，如發(fā)現(xiàn)尾管表面漏水和滲透時即剔除，此方法有效杜絕了此類事件的發(fā)生。